动水压力作用下纤维沥青碎石封层的抗渗性能

覃 潇, 申爱琴, 郭寅川, 李震南, 樊 莉

(长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

纤维沥青碎石封层是一种由纤维、改性乳化沥青及碎石组成的新型路面预防性养护材料,具有抗渗、分散与吸收路表应力、抗滑、耐磨等功效,能够快速修复已产生微病害的原路面,延缓路面大修周期[1-2].对于夏季炎热多雨的南方湿热地区,路面的抗渗性能对于路面结构强度至关重要,若路表水大量下渗,必将导致沥青与碎石间黏附性降低,进而引发沥青剥落等水损害效应,同时对于基层与面层之间的黏结状态以及土基强度十分不利[3].实际情况下,道路上行驶的车辆在经过路表积水区时,高速转动的轮胎会因挤压积水而产生动水压力,对封层起反复冲刷作用[4].然而,目前国内外学者在研究纤维沥青碎石封层抗渗性能时,主要通过静力渗水试验[5-6]来评价抗渗性能,常忽视动水冲刷作用,导致设计的封层难以满足路表实际工作环境的需要.此外,对于原路面上不同损伤状态的封层,其受动水压力作用的程度必然也存在一定差异.研究[7-8]表明:影响纤维沥青碎石封层抗渗性能的因素主要包括纤维类型、纤维用量、改性乳化沥青类型、沥青洒布量、碎石粒径和岩性等,但在动水压力作用下,以上因素对封层抗渗性能的影响效果必将发生改变[9].综上,国内外关于考虑动水压力工况及原路面状况下的纤维沥青碎石封层抗渗性能的研究少有报道,同时缺乏其抗渗性能增强机理的相关研究.

为此,本研究将考虑动水压力工况,基于3种较优配比,借助模拟原路面裂缝状况下的渗水试验,探讨纤维掺量、碎石岩性及粒径、乳化改性沥青洒布量等对纤维沥青碎石封层抗渗性能的影响,建立抗渗性与原路裂缝宽度的相互关系,提出适用于我国交通环境的封层抗渗性能指标要求.采用SEM分析手段,对纤维沥青碎石封层表面、动水冲刷后的纤维-沥青界面及渗水损伤面进行细微观扫描剖析,揭示纤维沥青碎石封层抗渗性能增强机理.

1 试验设计

1.1 原材料及配合比

改性乳化沥青由70#基质沥青与维实伟克63D乳化剂(阳离子快裂型)、维实伟克SBR改性剂混合制成,优化后的制备配方见表1,三大指标测试结果见表2.碎石来自海南省文昌市力嘉石场生产的玄武岩及广州西胜公司提供的花岗岩(粒径范围为3～6,4～8,5～10 mm),性能测试结果见表3.纤维为广东东莞万隆复合材料有限公司生产的喷射无捻粗砂型玻璃纤维,长度为60 mm,直径为13 μm,含水率为0.09%,线密度为2 430 tex.以上原材料基本性能均满足相关规范要求.

表1 改性乳化沥青制备配方

表2 改性乳化沥青三大指标测试结果

表3 碎石基本性能

通过权衡改性乳化沥青浆体三大指标、封层层间剪切强度与封层清扫试验脱石率所得出的3种纤维沥青碎石封层优化配合比见表4,配合比分别由M1,M2和M3表示,碎石粒径为4～8 mm.对于M3,为增强花岗岩与沥青之间的黏附性,特在沥青浆体制备时添加0.4% PA-1型抗剥落剂.

表4 纤维沥青碎石封层配合比

1.2 渗水试验方法及原理

动态瞬水反复作用会削弱纤维沥青碎石封层的密水性,尤其是在原路面存在裂缝时,若封层抗渗性能不足,水分极易渗透至裂缝中而形成饱水裂缝,路面饱水裂缝示意图如图1所示.裂缝在荷载-动水压力双场耦合作用下迅速扩展,加速封层破坏.因此采用自主研发的动态渗水试验仪(见图2)评价纤维沥青碎石封层的抗渗性,对不同原路面宽度裂缝情况下的封层抗渗性能进行模拟试验.

图1 路面饱水裂缝示意图

图2 动态渗水试验仪

利用流体力学理论对路表动水压力进行理论分析计算.假设轮胎面为平面,且轮胎与路面倾角较小(约等于0),基于伯努利定理,可计算轮胎前段与路面处的动水压力p为

(1)

式中:p为动水压力,MPa;ρ为水的密度,kg·m-3;v为行车速度,m·s-1.

可见,不同车速(0～120 km·h-1)对应的路表动水压力理论值为0～0.556 MPa,因此,将渗水试验初始水压控制在0.556 MPa以下.

图3为试件制作及准备过程.模拟方法如下:由于真实情况下的原路面裂缝长短不一,难以逐条进行模拟,因此以最不利压强状态为准,通过制作直径分别为1,2,3,4和5 mm的圆形多孔板,对原路面不同宽度裂缝进行模拟.多孔板直径为(200±1) mm,厚5 mm,透孔均匀分布在离圆心40 mm及60 mm处(图3b).

图3 试件制作及准备过程

试验温度为25 ℃,将封层试件置于多孔板上,采用进水加压装置(见图3d),对其两侧施加初始水压差,并持续一定时间,若无渗水,则以0.1 MPa逐级增加水压差,直至压力骤减发生渗水,记录此时渗水压差,取平行试件中的最小渗水压差作为极限水压差,从而评价不同原路面裂缝宽度时封层的抗渗性能.

1.3 封层试件制作

由下至上按乳化改性沥青+玻璃纤维+乳化改性沥青+碎石成型纤维沥青碎石封层后,将其裁剪为直径为(200±1) mm的圆形试件.考虑试件与仪器间的密封性,仅在试件中心进行碎石撒布,然后放入密封试模中施加水压,具体过程如图3所示.

1.4 SEM细微观分析

基于界面浸润理论,纤维与沥青间的相容性、浸润性对纤维沥青碎石封层的抗渗性能影响显著.采用德国CarlZeissAG扫描电镜,对封层表面、动水冲刷后的纤维-沥青浸润界面及透孔处封层渗水损伤面进行观测.

2 结果分析与讨论

2.1 基于动水压力变化的封层抗渗性能分析

按表4配合比，对封层进行动水压力下渗水试验,封层抗渗性能试验结果如图4所示.

图4 不同封层配合比下动水压差与透孔孔径的关系

由图4可知:3种纤维沥青碎石封层材料的抗渗性能变化规律接近,可能是由于这3种纤维沥青碎石封层的沥青洒布量相同,三者之间能够形成厚度相近的沥青膜,从而体现出相似的抗渗性能,因此沥青品牌对其抗渗性能的影响基本可忽略.

当多孔板孔径小于3 mm时,抗渗性能由大至小排序为M1,M3和M2,这主要是因为M1采用玄武岩(碱性),与沥青的黏附性较好,而M3使用花岗岩(酸性),即便采用了抗剥落剂,与沥青的黏附性仍亚于前者,从而影响抗渗性能;同时,M1与M3的纤维掺量大于M2,纤维对沥青有一定的吸附作用,能够有效增强沥青与碎石之间的黏附性,提升封层抗渗性能.当多孔板孔径大于3 mm时,抗渗性能由大至小排序为M1,M2和M3,这是由于M1纤维掺量大于M2,前者材料体现出更好的黏附性,而此时动水产生的冲刷作用更强,花岗岩碎石与沥青之间的黏附性更易受水压影响而削弱,导致M3的抗渗性能较弱.

孔径大于3 mm时,封层破坏时可承受的水压差基本小于路表动水压力最大理论值(0.556 MPa,对应车速为120 km·h-1),属低安全系数环境,故高速公路封层施工前必须对原路面上宽度大于3 mm裂缝进行处理.

2.2 碎石粒径对封层抗渗性能的影响

封层碎石常用的3种粒径范围分别为3～6,4～8和5～10 mm.由图4可知,当沥青结合料洒布量相同时,不同配合比封层的抗渗性能随多孔板透孔孔径增大而变化的规律是一致的,且同一孔径下抗渗性能相差不大.因此为减小试验量,以表4中M1配合比为基准,仅改变碎石粒径开展动水渗水试验.图5为碎石粒径对不同透孔孔径下封层抗渗性能的影响.

图5 碎石粒径对不同透孔孔径下封层抗渗性能的影响

由图5可知,不同碎石粒径下封层的抗渗性能变化趋势一致,衰减速度均由慢变快,当多孔板孔径由1 mm增大至5 mm时,3种碎石粒径下封层的抗渗能力分别下降了75.3%,73.6%和83.1%.

在碎石粒径方面,同一多孔板孔径下,碎石粒径越大,抗渗性能越差,其中3～6 mm与4～8 mm碎石封层的抗渗能力差异较小,且分别比5～10 mm碎石封层高约46.5%与39.5%.这可能是由于沥青洒布量及碎石撒布量相同时,5～10 mm的碎石颗粒数少于其他2种粒径的碎石,且矿料间隙率大于3～6 mm与4～8 mm碎石封层,致使纤维沥青胶浆难以与碎石充分接触,并将其裹覆,造成二者间黏附性不足;同时,碎石粒径越大,刺入沥青膜的深度越大,有效沥青膜厚度越薄,使封层抗渗性能有所降低.因此对于5～10 mm碎石粒径的纤维沥青碎石封层,应特别注意控制改性乳化沥青洒布量.

2.3 沥青洒布量对封层抗渗性能的影响

在M1配合比的基础上,增减改性乳化沥青用量(A,B和C这3种情况的洒布量分别为1.3,1.7 和2.1 kg·m-2)制作渗水试件,进而研究封层在不同沥青膜厚度情况下的抗渗性能,试验结果如表5所示.

表5 不同沥青洒布量时封层的极限动水压差 MPa

由表5可见:沥青膜最厚的试件抗渗性能比最薄的试件高50%左右,能够更好地承受外界动水压;随着多孔板透孔孔径的不断增大,A,B和C这3种沥青洒布量下的总体抗渗性能分别下降了76.7%,73.6%和74.8%,同时三者之间能够承受的极限水压差值不断接近.具体表现如下:当孔径为1 mm时,A与C沥青洒布量之间差值的绝对值为0.47;随着孔径增大,绝对值依次为0.45,0.40,0.22以及0.13,其中B的极限水压差值处于A,C二者之间,即多孔板透孔孔径越大(原路面裂缝宽度越大),改性乳化沥青洒布量对封层抗渗性能的影响越小.

当多孔板透孔孔径为1～2 mm时,极限水压差变化幅度较为平缓,对应于A,B和C的减小量分别为10.00%,8.05%和7.48%;当超过2 mm后,极限水压差衰减幅度增大,对于孔径为2,5 mm时的极限水压差,A,B和C的减小量分别为74.00%,71.25%和72.70%,以上均说明纤维沥青碎石封层沥青膜越厚,极限水压差随多孔板透孔孔径变化的幅度越小,反之则越大.

通过裂缝模拟试验,可认为除抗渗性能较弱的A封层,当原路面裂缝小于3 mm时,封层抗渗性能是有效的,而一旦裂缝超过3 mm,其极限水压差均超过路表动水压力最大理论值(0.556 MPa).

2.4 实际封层抗渗性能评价指标要求的确定

纤维沥青碎石封层在使用期间必然经受行车荷载反复作用及动水压力冲刷,因此考虑材料的疲劳效应,若直接将动水压力极限值定为封层的抗渗性能指标要求值,会降低其安全性,因此需对动水压力乘以安全系数k,即

σr=uk,

(2)

式中:σr为封层的抗渗性能指标,MPa;u为动水压力,MPa;k为安全系数.参考文献[10]对桥梁抗渗等级的划分方法,按公路等级将路面抗渗等级划分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ,并分别对应不同的安全系数k.路面抗渗等级划分详见表6.

表6 路面抗渗等级划分

基于车速与动水压力的关系式(1),得出不同车速时路面上产生动水压力的理论最大值.根据表6中安全系数k,计算并推荐纤维沥青碎石封层抗渗性能指标要求(可承受的最小动水压力值),如表7所示.

表7 纤维沥青碎石封层抗渗性能指标推荐值 MPa

由表7可知:高速公路及一、二、三级公路的抗渗性能指标推荐要求值分别为0.730,0.470,0.280和0.070 MPa.根据本试验数据发现,对于M1,M2和M3配合比的封层,以及M1配合比下碎石粒径为3～6 mm的封层,在M1配合比基础上沥青洒布量为2.1 kg·m-2的封层,均能够满足不同抗渗等级推荐采用的指标要求,其中各抗渗等级的封层均需对原路面裂缝(源于试验部分多孔板透孔孔径对裂缝宽度的模拟)进行处治,等级Ⅰ需处治2 mm以上裂缝,等级Ⅱ处治3 mm以上裂缝,等级Ⅲ处治4 mm以上裂缝,等级Ⅳ处治5 mm以上裂缝.

2.5 封层SEM细观形貌表征及抗渗性增强机理

水分子是含有氢键的极性分子,对碎石的吸附能力远大于对沥青的吸附能力.当封层中沥青与石料黏附时,动态瞬水对其抗渗性能的破坏主要表现为界面沥青逐渐被水分“置换”而从碎石表面剥落,随后水分将穿透残留沥青层致使材料彻底破裂渗水.界面浸润理论认为,纤维对沥青材料力学性能的增强作用远大于其两者性能的叠加.为此,对纤维沥青碎石封层表面、动水冲刷后的纤维-沥青浸润界面及渗水损伤面进行细微观分析,揭示纤维沥青碎石封层抗渗性能的增强机理.封层表面、纤维-乳化沥青浸润界面及渗水损伤面的微观形貌分别如图6-8所示.

图6 封层表面微观形貌(200倍)

图7 纤维-乳化沥青浸润界面微观形貌(1 000倍)

图8 渗水损伤面微观形貌(200倍)

由图6可见:玻璃纤维在沥青相内相互桥接,黏结程度较好,能够增强纤维沥青碎石封层复合材料的受力均匀性及整体稳定性.由图7可见:沥青基体材质均匀,玻璃纤维浸润在沥青当中,未发生结团现象,且界面处沥青稠度较大,呈现若干“沥青触角”将纤维紧密嵌锁在沥青基体中的现象,说明玻璃纤维(增强相)与沥青(集体相)之间的浸润状态良好.以往研究[11]表明,沥青稠度越大,其黏滞阻力越大.因此,玻璃纤维能够提高沥青自身内聚力,同时有效提升沥青抗剥落性能,间接增强了沥青与碎石之间的黏附性,降低水分对纤维沥青碎石封层结构的侵蚀破坏作用.

由图8可见：即便纤维沥青碎石封层在渗水试验中出现损伤,损伤面两端仍由玻璃纤维相连,表明纤维能够有效阻止裂缝进一步扩展.因此,在动水压力长期作用下,封层的渗水性能能够有所保证,从而有效防止外界水分渗入原路面裂缝以形成饱水裂缝.

3 结 论

1) 多孔板透孔孔径越大,能够承受的极限动水压差越小.当孔径小于3 mm时,玻璃纤维用量对封层抗渗性能的影响比碎石岩性更为显著,抗渗性能由大至小的顺序为M1(碱性岩石,纤维用量80 g·m-2)、M3(酸性岩石,纤维用量80 g·m-2)和M2(碱性岩石,纤维用量75 g·m-2);当孔径超过3 mm时,动水集中应力的增长使花岗岩碎石-沥青黏附性的削弱程度较大,导致抗渗性能由大至小的顺序为M1,M2和M3.

2) 多孔板透孔孔径越大,沥青洒布量对封层抗渗性能的影响越小;沥青膜越厚,封层抗渗性能随孔径而变化的幅度越小;当原路面裂缝小于3 mm时,沥青洒布量为1.7,2.1 kg·m-2时的封层能够较好承受路表理论最大动水压力.

3) 碎石粒径为3～6,4～8 mm的封层抗渗性能优于5～10 mm封层.这是因为同质量下,5～10 mm封层颗粒数少于前2种粒径封层,矿料间隙率大于前者,导致纤维沥青胶浆与碎石之间的总接触面积小于3～6,4～8 mm碎石,黏附性也相应较低.

4) 基于桥梁抗渗等级划分方法与交通条件,对纤维沥青碎石封层抗渗等级进行了明确划分,同时推荐了相应的抗渗指标要求.

5) 玻璃纤维对沥青的吸附作用能够增强沥青与碎石间的黏附性,并在封层中均匀展布,有效分散路表各向应力,延缓裂缝扩展,进而有效增强封层的抗渗性能.

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